Ein „Fall“ für Agilität

Abbildung 1Drei identische Roboterschweißsysteme stehen in einer Reihe, jedes System wird von einem Bediener gesteuert. Alle Roboterbediener von Case New Holland sind zertifizierte Schweißer.

Case New Holland (CNH), der globale Agrar- und Baumaschinenriese, platzt aus allen Nähten. Das Werk in Fargo, North Dakota, kauft weiterhin Roboter und erweitert die Fabrikflächen, da die Nachfrage nach Agrarprodukten (Ag) steigt und das Volumen für Baumaschinen (CE) weiterhin stark ist. Das Unternehmen hat im Laufe der Jahre Millionen investiert, aber es scheint nicht in der Lage zu sein, genügend Roboter zu kaufen oder genügend Leute einzustellen. Das Unternehmen musste also nicht nur härter arbeiten, sondern auch lernen, viel intelligenter zu arbeiten.

Um schlank und wettbewerbsfähig zu sein, geht es nicht darum, Roboter zu kaufen oder wahllos mehr Leute einzustellen, oder auch nur um schlanke Systeme oder Qualitätsprogramme, so notwendig all diese Dinge auch sein mögen. Letztlich geht es darum, Technologie und Arbeit in Einklang zu bringen und daraus eine neue Fertigungsphilosophie zu entwickeln. Der Fokus bei CNH Fargo liegt auf Flexibilität; Das Unternehmen muss möglichst effizient auf den Markt reagieren.

Wie Bill Moser, Fertigungstechnikleiter, es ausdrückte: „Wir versuchen, die Flexibilität zu schaffen, die es uns ermöglicht, unsere Investitionen bestmöglich zu nutzen, wenn sich die Zeitpläne ändern und die Modellkombinationen ändern.“

CNH Fargo verfügt über fast 30 Roboterschweißsysteme in der Produktion, von denen viele groß und komplex sind (sieheAbbildung 1 ), Schweißkomponenten wie Rahmen für die 535 PS starken, allradgetriebenen Ag-Traktoren. Traditionell ist ein großes Schweißsystem, von dem erwartet wird, dass es mindestens 15 Jahre lang Teile produziert, einer bestimmten Teilefamilie gewidmet. Aber dieser Trend ändert sich. Angesichts steigender Volumina und des Bedarfs an Flexibilität sucht CNH nun nach automatisierten Systemen, allerdings mit einem sehr wichtigen Vorbehalt.

Sie müssen in der Lage sein, jederzeit jedes Teil – CE oder Ag – an jeder Vorrichtung, an jedem Roboter zu schweißen, um den schwankenden Marktanforderungen gerecht zu werden.

Bei CNH sind die Robotersysteme immens. Ihre zweiachsigen Positionierer bewältigen mehr als 12.000 Pfund und sind in der Lage, eine echte koordinierte Bewegung bereitzustellen. Sie bewegen sich zusammen mit dem Roboter, der an einem dreiachsigen Portal montiert ist. Die Systeme behalten genaue Schweißgeschwindigkeiten bei, selbst wenn alle 11 Achsen – sechs Roboterachsen, drei Portalachsen und zwei Positionierachsen – gleichzeitig bewegt werden (sieheFigur 2 ). Sie werden in Gruben montiert, damit die zu schweißenden großen Teile nicht auf den Boden fallen, wenn sie in die Schweißposition gebracht werden. Aufgrund der erheblichen auskragenden Lasten sind die Positionierer tatsächlich an I-Träger geschweißt, die in den Betonboden eingegossen sind.

Um die nötige Flexibilität zu gewährleisten, müssen diese riesigen Systeme so aufgebaut sein, dass Roboterprogramme frei von einem Roboterschweißsystem auf ein anderes ausgetauscht werden können (vglFigur 3 ). CNH verfügt mittlerweile über fünf solcher Systeme mit jeweils zwei Schweißstationen und zwei Positionierern – insgesamt sind es also zehn Schweißpositionierer.

Zuvor waren die Roboterschweißzellen vollständig in die Ag- und CE-Abteilungen getrennt. Mit zunehmender Ag-Produktion gelangten die Ag-Produkte in die CE-Schweißzellen, um die Produktionsanforderungen zu erfüllen. Dies funktionierte nur so lange, bis Materialfluss und Zellenlayouts die Möglichkeiten einschränkten.

Das neue Ziel des Unternehmens: Jeder von 22 verschiedenen Rahmen muss mit minimaler Unterbrechung durch jede Roboterzelle fließen können.

Das war nicht einfach. Ackerschlepper und große Radlader haben Gelenkrahmen. Die Fahrzeuge sind in der Mitte schwenkbar, daher verfügt jeder Typ über einen Vorder- und Hinterrahmen. In der Vergangenheit hat das Unternehmen die Rahmenschweißabteilung je nach Art des zu schweißenden Rahmens in vier Funktionen unterteilt: Ag-Vorderrahmen, Ag-Hinterrahmen, CE-Vorderrahmen und CE-Hinterrahmen.

Abbildung 2Die Positionierer ermöglichen eine echte koordinierte Bewegung, selbst wenn sich 11 Achsen gleichzeitig bewegen (sechs Roboterachsen, drei Portalachsen und zwei Positioniererachsen).

Diese großen Traktorrahmen mussten zusammengeheftet werden, bevor sie in die Schweißvorrichtung des Roboters geladen wurden. Jeder dieser vier Bereiche verfügte außerdem über eine eigene Endschweißstation, an der ein manueller Schweißer die Umwicklungen und Verbindungen fertigstellte – Schweißnähte, die der Roboter nicht ordnungsgemäß ausführen konnte – und kleine Teile wie Halterungen und Bolzen hinzufügte, die dem Roboter im Weg wären, wenn sie hinzugefügt würden vor dem Roboterschweißen.

Was benötigt wurde, war eine Fertigungsmethode, die dafür sorgte, dass die Heft- und Endschweißstationen effizient funktionieren, aber flexibel genug, um Teile in jeder vom Markt geforderten Kombination durch Roboterzellen zu schicken.

Die Lösung des Unternehmens: Während die Heftschweißzellen noch immer nur eine von vier Produktfamilien (Ag-Vorderrahmen, Ag-Hinterrahmen, CE-Vorderrahmen, CE-Hinterrahmen) verarbeiten können, verarbeiten neue, flexible Roboterschweißzellen nun jeden Rahmen, der ihnen zugesandt wird .

Die vier Heftbereiche bleiben unterschiedlich, da es einfach zu komplex ist, eine Heftvorrichtung zu bauen, die in der Lage ist, alle Komponenten für mehr als einen Rahmentyp zu platzieren. Aber durch die Entwicklung von Heftvorrichtungen, die mehr als eine Teilegröße innerhalb einer bestimmten Produktfamilie verarbeiten können, und durch die Änderung von Standorten und Anordnungen hat CNH den Heftvorgang so bequem wie möglich gestaltet.

Die Werkstattleiter führten außerdem eine neue Heftschweißstrategie ein. In der Vergangenheit diente das Heftschweißen lediglich dazu, das Teil zusammenzuhalten, bis der Roboter es zusammenschweißen konnte. Die neue Begründung besagt, dass eine Person, die Schweißnähte an einem Teil anbringen will, dafür sorgen muss, dass diese Schweißnähte einen Wert haben. Schweißer platzieren Heftklammern strategisch an Stellen, die dem Roboter dabei helfen können, qualitativ hochwertige Schweißnähte herzustellen. Mit anderen Worten: Die Heftnähte halten die Teile nicht nur an Ort und Stelle, sie erleichtern auch die Arbeit des Roboters.

Nach dem Heften gelangen die Rahmen zum Schweißen an eines der Robotersysteme. Das Unternehmen erkannte schon früh, dass die Roboter so installiert werden müssen, dass kritische Systemabmessungen – einschließlich des Abstands vom Roboterportal zu den Positionierern, ihrer Parallelität und Rechtwinkligkeit – bis auf wenige Tausendstel Zoll identisch sind. Dies ist zum wichtigsten Thema bei der Bereitstellung von Produktionsflexibilität geworden.

Manche denken vielleicht, dass es keine große Sache sei, mehrere identische Systeme einzurichten. Die Automobilindustrie macht das ständig. Dies ist jedoch keine leichte Aufgabe bei solch großen Geräten, die aus Komponenten bestehen, die unabhängig voneinander auf einem unvollständigen Betonboden montiert werden. Das Servoportal, das den Roboter trägt, verfügt über drei Bewegungsachsen mit einer Bodenbewegung von 50 Fuß. Die Basisachse jedes zweiachsigen Positionierers ist für eine Frontplattenlast von 50.000 Newton ausgelegt. Obwohl die Betonarbeiten professionell und hochwertig ausgeführt sind, ist sie dennoch nicht perfekt. Und jede dieser großen Komponenten ist unabhängig am Boden montiert, ohne dass ein Verbindungsgerüst zwischen ihnen besteht.

All dies erforderte ein Verfahren, um Roboterinstallationen auf ein viel höheres Maß an Genauigkeit zu bringen. Der Roboterlieferant Cloos Robotic Welding implementierte während der Konstruktion und Installation ein hochpräzises Laserausrichtungsinstrument, um sicherzustellen, dass alle Robotersysteme genau gleich eingerichtet waren. Zwar gab es andere Methoden, um mit Robotersystemen umzugehen, die nicht identisch ausgerichtet waren, etwa Berührungserkennung, Nahtverfolgung und andere Softwaremanipulationen wie alternative Koordinatensysteme. Dennoch wären die Ergebnisse durch die Eliminierung möglichst vieler Variablen während der Installation konsistenter und auf lange Sicht einfacher zu handhaben.

Da alle Roboterschweißstationen physisch identisch sind, kann das Unternehmen einen bestimmten Rahmen an eines von mehreren Robotersystemen weiterleiten. Roboterprogramme können von einem Roboter auf einen anderen kopiert werden, ohne dass ein Schweißprogramm mit mehreren tausend Zeilen Code zeitaufwändig nachbearbeitet werden muss. Diese Flexibilität stellt sicher, dass Volumenschwankungen in einem bestimmten Modell kaum Auswirkungen auf den Produktfluss haben. Wenn ein bestimmter Händler eine große Anzahl eines Traktortyps bestellt, ist es kein Problem, die Produktion entsprechend diesen Anforderungen zu planen.

CNH kann weiterhin bestimmte Frames stapeln. Obwohl jede Robotervorrichtung darauf ausgelegt ist, jeden Rahmen zu handhaben, der ihr in den Weg kommt (sieheFigur 4 ) kann eine diskrete Umstellungszeit dennoch entfallen, wenn das Unternehmen drei oder vier identische Frames hintereinander einplanen kann. Dennoch schweißt CNH häufig Teile in Stückzahlen von nur einem Stück.

Die Simulation in Abbildung 3A wird für die Offline-Programmierung der fünf Roboterschweißsysteme von CNH Fargo verwendet. In jeder zweiten Station ist das Fertigschweißen, Entladen und Wiederbeladen möglich, während der Roboter in der ersten Station arbeitet.

Es ist nicht schwer, mit irgendeiner Technologie einen Erfolg von 90 Prozent zu erreichen, aber das Pareto-Prinzip besagt, dass es die letzten 10 Prozent sind, die einen Weltklasse-Hersteller ausmachen. CNH ist bestrebt, die letzten 10 Prozent aus seinen beträchtlichen Investitionen herauszuholen. Im Folgenden sind einige Möglichkeiten aufgeführt, mit denen das Unternehmen daran arbeitet, dies zu erreichen.

Für noch mehr Flexibilität ist jedes Robotersystem mit einer herkömmlichen Einzeldraht-Schweißpistole und einer Tandem-Schweißpistole ausgestattet, bei der zwei Schweißdrähte durch eine gemeinsame Düse geführt werden, um die Schweißgeschwindigkeit und Abschmelzleistung zu verdoppeln. Ein Werkzeugwechsler wechselt während des Roboterprogramms automatisch zwischen den beiden Zangen. Dadurch kann der Roboter praktisch jede Verbindung des Teils schweißen, egal ob schweres Material (bei einigen Rahmen mehr als 1 Zoll dick) oder dünnes Blech, wie es an den Kotflügeln zu finden ist.

Da die Roboterschweißprogramme lang und komplex sind, dauerte es einige Wochen, bis die Programmierung neuer Teile abgeschlossen war. Das Unternehmen beschleunigte den Prozess durch Offline-Programmierung.

Bei den meisten neuen Systemen programmieren Techniker Teile offline mit einem Simulationsprogramm, das speziell auf die verwendete Robotermarke zugeschnitten ist. Die Programme können vollständig geschrieben, die Schweißdaten eingegeben und die gesamte Programmierlogik abgeschlossen werden, bevor der Roboter überhaupt installiert wird. Nach der Installation des Roboters müssen Sie nur noch das Programm herunterladen und den Prozess durchlaufen, um sicherzustellen, dass alles für die Produktion bereit ist.

Bevor der Roboter sein Schweißprogramm beginnt, führt der Bediener eine Vorschweißung durch. Dies hilft dem Roboter, seine Arbeit besser zu erledigen, indem er beispielsweise Umwicklungen oder Einbindungen in Bereichen durchführt, die der Roboter nicht erreichen kann. Wenn das Vorschweißen ordnungsgemäß und mit etwas Voraussicht durchgeführt wird, kann der Roboter so programmiert werden, dass er in diese Wicklungen einbindet, wodurch die Schweißqualität erhöht und die Zeit für das Fertigschweißen verkürzt wird.

Jedes Roboterschweißsystem verfügt über zwei Schweißstationen mit großen, robusten Positionierern. Dadurch kann der Bediener an einer Station arbeiten, während der Roboter an der anderen schweißt. Arbeitskräfte sind teuer und knapp, und da die Roboterzykluszeiten zwischen weniger als zwei und bis zu fünf Stunden variieren, hat der Bediener Zeit, einige wichtige Aufgaben auszuführen.

„Ein Teil unseres Ziels besteht darin, in Ausrüstung zu investieren, die es uns ermöglicht, über eine zusätzliche Station zu verfügen, an der wir das Vorverpacken, das Vorschweißen und das strategische Heften durchführen“, sagte Moser, „um den Materialtransport so gering wie möglich zu halten und dies auch zu versuchen.“ mit unseren manuellen Prozessen so effizient wie möglich zu sein.“

Der Bediener nutzt diese Zeit, um nach Abschluss des Roboterzyklus das Endschweißen durchzuführen. Dies geschieht, während sich das Teil noch in der Roboterhalterung befindet, wodurch eine zusätzliche Materialhandhabung entfällt. Während der Roboter in der anderen Station schweißt, kann der Bediener seinen Positionierer manuell bewegen, um das Teil für das manuelle Schweißen zu positionieren. Zu den weiteren Aufgaben gehört das Auswechseln der Spannvorrichtung für das nächste Teil in der Warteschlange sowie das Entladen und Neuladen der Spannvorrichtung. Der Bediener kann auch kleinere vorbeugende Wartungsarbeiten durchführen, zu denen das Reinigen oder Auswechseln der Schweißpistole oder deren Überprüfung in der Pistolenvorrichtung gehören kann.

„Bei unserem Produkt und der Art und Weise, wie es konzipiert ist, ist eine 100-prozentige Automatisierung nicht realistisch“, sagte Moser. „Deshalb streben wir danach, den schmalen Grat zu finden, auf dem wir manuelle Prozesse mit Automatisierung verbinden können.“

Das Unternehmen balanciert die Arbeit des Bedieners und des Roboters sorgfältig aus. In einigen Fällen können beispielsweise Schweißnähte tatsächlich vom Roboter entfernt und dem Bediener übergeben werden, um die Arbeitsbelastung besser auszugleichen und Schweißnähte zu entfernen, mit denen der Roboter aufgrund von Reichweiten- oder Einbaubeschränkungen möglicherweise Probleme hat.

Abbildung 4: Flexible Halterungen können so eingerichtet werden, dass sie eine Vielzahl von Vorder- und Hinterrahmen für Ag- und CE-Produkte aufnehmen. Das spart Geld und verkürzt die Umrüstzeit.

Case hat das menschliche Element nicht vergessen. Beide Roboterschweißschichten werden von erfahrenen Roboterprogrammierungs- und Wartungstechnikern abgedeckt, und die Roboterbediener sind qualifiziert, alle Probleme zu beheben, auf die der Roboter während der normalen Produktion stoßen könnte. Am wichtigsten ist, dass nur ausgebildete und zertifizierte Schweißer bei CNH Roboterbediener werden können.

Strategische Überlegungen darüber, wie Tools wie Robotik und andere Formen der Automatisierung am besten zur Optimierung des Flusses und der Produktqualität eingesetzt werden können, haben dazu beigetragen, dass CNH schlank, wettbewerbsfähig und wachsend bleibt.

„Die Welt verändert sich“, schloss Moser. „Letztendlich müssen wir, wenn wir über Flexibilität und Fertigung sprechen, in der Lage sein, einen Cent auszugeben.“